水文地质学地下水资源评价PPT课件

1、3 开采试验法 开采抽水法 试验外推法 补偿疏干法第1页/共59页3.1 开采抽水法 开采抽水法是按实际(设计)抽水量进行抽水试验，并对地下水进行可开采资源量评价的一种方法。 抽水时期：旱季（why?） 为了用抽水试验揭露当地地下水的补给能力，一般选择旱季开始抽水。 延续时间：尽量延长抽水时间，在抽水量达到设计开采量后，一般至少为整个旱季+1个月，从抽水到恢复水位期间进行全面观测第2页/共59页水位观测结果可能出现两种情形 可开采量评价 在长期抽水过程中，如果水位达到设计降深并如果水位达到设计降深并趋近稳定状态，即钻孔水位下降值保持在一个稳趋近稳定状态，即钻孔水位下降值保持在一个稳定的水平上，

2、不再随时间继续下降，并且抽水量定的水平上，不再随时间继续下降，并且抽水量大于或等于需水量；停抽后，水位又能较快地恢大于或等于需水量；停抽后，水位又能较快地恢复到原来的水平，复到原来的水平，这就表明实际抽水量小于开采条件下的补给能力，按需水量开采是有保证的。这时，实际的抽水量就是可开采资源量。抽补QQ第3页/共59页开采试样法-第一种情况恢复曲线水位降深曲线第4页/共59页水位观测结果可能出现两种情形如果在长期定流量抽水过程中，井中水位不稳定，特别是观测井中水位不稳定，特别是观测孔水位具有持续下降的趋势；停抽后，水位虽有恢复，但孔水位具有持续下降的趋势；停抽后，水位虽有恢复，但始终始终达不到原始

3、水位达不到原始水位。说明抽水量已超过开采条件下的补给能力，按此抽水量开采是没有保证的。这时，考虑：单位储存量法第5页/共59页开采试验法-第二种情况近似直线下降第6页/共59页单位储存量法单位储存量法 用开采情况下抽水稳定、水位下降较均匀时，任意时段内的水量均衡： 式 中 ： 为 水 位 下 降 1 m 时 储 存 量 的 减 少 量 ， 简 称 单 位 储 存 量（m3/m）；S 为t时段的水位降深（m）。 此时，抽水量是由两部分组成 一是开采条件下的补给量； 二是含水层中消耗的储存量。 利用抽水稳定、水位下降较均匀时的若干时段资料，分别带入上面公式，利用消元法求出补给量和单位储存量。 并利

4、用单位储存量河水位恢复资料检验所计算的补给量的可靠性（ 为等幅回升，故取负值）SQQFt抽补SQQFt抽补StF第7页/共59页 开采试验法小结用旱季抽水所求的补给量评价地下水可开采资源量结果是比较保守的；不同的开采条件下，Q补是有可能不同的，即Q补是一个与开采条件有关的变量。因此，为了更准确评价可开采资源量，应在开采过程中继续进行水位的长期观测，逐步用多年平均补给量进行评价；开采抽水法评价地下水可开采资源量，往往需要进行相当长的抽水试验，必然要花费较多的人力、物力。 因此，该方法只有在难以查清地下水补给条件而又急需进行评价，且供水部门对用水量的保证程度要求又比较高时，才采用这种方法。 第8页

5、/共59页 开采试验法实例第9页/共59页 开采试验法实例第10页/共59页3.2试验外推法 根据多个流程的抽水量-降深关系，确定可开采资源量。 适用条件： 含水层富水程度较好、补给充足 抽水设备能力限制，达不到实际需水量情况下 要求： 至少进行三次降深 最大抽水量尽量接近实际需水量 最大降深尽量接近设计降深第11页/共59页3.2试验外推法野外常见的QS曲线 类 型 表达式 说 明 直线型 qsQ q为单位涌水量（m3dm） 抛物线型 2BQAQs 在QQs/ 坐标系中为直线。A、B为待定系数。 幂函数型 BAsQ 在1gQ1gs坐标系内为直线。 对数型 sBAQlg 在Qlgs坐标系中为直

6、线。 第12页/共59页3.2试验外推法注意事项注意事项： 以稳定流为基础 利用该方法推算可开采量时，必须充分考虑地下水的补给情况 抽水水位降深不能太小，否则影响降落曲线类型。尤其是采用对数曲线方程时，水位降深很小时不宜尤其是采用对数曲线方程时，水位降深很小时不宜应用。应用。 用抽水资料计算系数时，若当按不同降深资料求得系数值有出入时，应以最大的两次降深资料的计算值为依据。 各类曲线允许外推的范围：推断的设计降深为抽水试验最大降深的1.752.0倍。 把设计降深代入建立的方程求出的就是相应的地下水可开采量。第13页/共59页3.3 补偿疏干法 充分利用含水层的储水空间和调节能力,通过抽水试验进

7、行地下水可开采资源量的评价方法。 适用条件： 地下水补给在时间上分配不均匀 含水层具有一定的调节能力,但分布面积有限 必要条件： 借用的储存量满足旱季开采量的需要 雨季补给量除满足当前开采量外，还能补偿旱季动用的储存量第14页/共59页抽水井水位下降、流量过程线与补给关系旱季雨季下降迅速等速下降开采量大于旱季补给能力第15页/共59页3.3 补偿疏干法 评价步骤 计算旱季开采量通过求单位储存量，继而计算旱季开采量 计算雨季补给量 评价可开采资源量 第16页/共59页评价步骤之一计算旱季开采量 在旱季进行开采抽水试验，因为旱季补给量基本没有，完全靠疏干储存量来维持抽水，再者由于蓄水构造范围有限，

8、抽水降落漏斗极易扩展到边界，所以抽水过程中的水量均衡式为 则 式中： 为单位储存量（m3m）；Q抽为试验抽水量（m3d）；t、s为抽水过程中水位急速下降后开始平稳等速下降的延续时间（d）和相应的水位下降值（m）。 tsFQ抽stQF抽F第17页/共59页评价步骤之一计算旱季开采量 求出单位储存量后，再根据含水层的厚度和取水设备的能力给出最大允许降深Smax，再查明整个旱季时间T旱，则可以计算旱季的开采量（Q开），即： 式中：S0为开采抽水开始等幅下降时井中的水位降深（m），可根据地下水动力学的有关公式确定开始等幅下降的时间。旱开TSSFQ0max第18页/共59页评价步骤之二计算雨季补给量地下

9、水雨季补给量除了保证雨季的开采外，多余部分就要补偿疏干的储存量，引起水位等幅回升。因此雨季补给量等于抽水量与补偿疏干的储存量之和，即：式中： 为水位回升时的单位补偿量，可以近似认为与水位下降时的单位储存相同； 为水位回升速率（m/d），可以根据旱季抽水试验资料求得； Q抽 为雨季抽水试验的抽水量（m3/d）。 抽补QtsFQtsF第19页/共59页评价步骤之三评价可开采资源如果地下水一年接受补给的时间为T雨，由此可以得到补给总量=Q补T雨，把补给总量分配到全年即得到年平均补给量：()365TsQFQt雨抽开第20页/共59页评价步骤之三评价可开采资源 结论分析Q补Q开，则计算的Q开可作为可开采

10、资源量；Q补Q开，故开采量1841.2m3/d是有补给保证又能取出来的开采量。mmssttQF/325880553.14)10150(7 .1761)(0101dmtSSFQ/2 .18412535232588030max开开日补补6 .881127 . 0 rTtdmTQtsFQ/332.19633656 .88)1900)150199(7 .1125880365)(（雨抽补F第24页/共59页4 解析法 运用地下水解析解(井流公式)对含水层进行地下水可开采量进行评价的方法。 取水构筑物 井流公式 评价方法和步骤 局限性第25页/共59页4 解析法 取水构筑物 提取地下水的工程设施称之为取水

11、构筑物 取水构筑物分类 垂直取水构筑物井（管井、大口井） 水平取水构筑物集水管（渗水管）、渗渠 抽水井分类 潜水井、承压水井、混采井 完整井、非完整井 稳定流、非稳定流 单井抽水、群井抽水第26页/共59页4.1 解析法：井流公式 地下水流向完整井的稳定流(裘布依公式) 裘布依公式的假设条件（？） 潜水含水层 承压含水层)ln()(220wwrRhhKQ)ln()2(0wwwrRsshKQ)ln()(20wwrRhhKMQKMrRQsww2)ln(第27页/共59页裘布依公式的假设条件 稳定流，抽水产生稳定的降落漏斗，漏斗半径为影响半径； 天然水力坡度为零，抽水时为了用流线倾角的正切代替正弦，

12、则井附近的水力坡度不能大于0.25； 含水层均质各向同性，含水层的底板是隔水的、水平的； 影响半径的范围内无渗入，无蒸发，每个过水断面上流量不变，在影响半径的圆周上为定水头边界； 降落漏斗范围内的地下水为平面二维流（径向流）第28页/共59页4.1 解析法：井流公式 地下水流向完整井的非稳定流(泰斯公式) 承压含水层 泰斯假设（？） 泰斯公式 当u0.01时，简化为：uuduueuwTtSruuwTQs)(4)(42225. 2ln4SrTtTQs第29页/共59页4.1 解析法：井流公式 地下水流向完整井的非稳定流 潜水含水层 潜水和承压含水层非稳定井流公式比较TtruuwKQhhs4)(2

13、2200第30页/共59页泰斯公式假设 含水层是均质的、各向同性、等厚、侧向无限延伸、水平 抽水前天然状态下地下水的水力坡度为零 完整井定流量抽水 含水层中水流服从达西定律 水头下降引起的地下水的储存量的释放量是瞬时完成的 抽水井井径无限小第31页/共59页Theis 公式第32页/共59页4.1 解析法：井流公式 群井抽水公式 承压含水层 潜水含水层TtSruuwQTsiiniii4)(4121tMKruuwQKhhsiiniii4)(2121200第33页/共59页4 .1解析法：井流公式 矩形开采区承压含水层解析公式10212122*12*21*11*),(*2,2,2,2),(),()

14、,(),(41),(derferfSatylatylatxlatxlSSSSSSSttyxsyyxx开采影响范围内任一点的水位降深与开采强度关系可查矩形面井井函数表开采强度返回第34页/共59页4.1 解析法：井流公式 其他类型的井流解析公式 变流量（阶梯流量） 非完整井 多层含水层（越流系统） 有限含水层（映射法） 可查阅有关手册得到第35页/共59页4.2 解析法：评价方法和步骤 根据实际水文地质条件和开采方式，选定合适的井流解析公式 求取井流公式中各类水文地质参数 计算各种开采方案下的水位降深，评价地下水可开采量 论证可开采量的保证程度第36页/共59页4.2 解析法：特点和限制条件 特

15、点及使用条件 分布参数方法 评价地下水可开采资源量 简单、直观、快速、经济 适用条件：理想条件下的水文地质条件，如满足泰斯假设、裘布依假设等 可开采量的保证程度需通过其它方法论证第37页/共59页4.2 解析法：特点和限制条件 限制条件 应用条件太苛刻（边界形状、非均质、各向异性、初始地下水面、承压区和无压区并存，且分界线随时间变化、含水层有不均匀越流，存在天窗或有河床渗漏、水井抽水量恒定或某一阶段恒定、含水层侧向无限延伸，渗透区形状矩形或圆形）第38页/共59页下述情况，不宜用解析解 边界形状、尤其是供水边界形状极不规则时； 含水层存在明显的非均质性和各向异性； 边界的位置、边界上的水头或流

16、量随时间变化； 承压区和无压区在平面上并存，其间的分界线随时间变化； 含水层有不均匀越流，存在“天窗”或有河床渗漏第39页/共59页解析法评价方法井群干扰法开采强度法第40页/共59页井群干扰法评价步骤 水文地质条件的概化 参数选取 计算降深值 评价第41页/共59页井群干扰法实例 某水源地位于内蒙古高原的低山丘陵河谷地带，平均降水量为222mm，且集中在7、8、9三个月；河谷宽约30m，河床除雨季外，常年干枯。河谷内为第四系砂砾石堆积，含水层平均厚度为17m，地下水埋深2m，主要由降水和地表水补给。河谷两侧和底部是岩浆岩，表层强烈风化。 为了评价该水源地的可开采资源量，进行了勘探和试验工作，

17、勘探孔和试验孔的布置如右图所示。开采方案是沿河谷中心布置九口开采井，井距约1km。 第42页/共59页井群干扰法实例根据条件分析选用潜水完整井井群干扰非稳定流公式计算： 式中：S观测井的水位降深值（m）； H含水层平均厚度（m）； Qi各井抽水量（m3/d）。niiunWKQHHS12)(21第43页/共59页评价步骤之一水文地质条件的概化边界条件：把河谷两岸概化为直线平行不透水边界，考虑基岩有风化裂隙水补给，将含水层宽度由300m放宽至500m。 介质条件：由于含水层沿河方向不均匀分布，分为性质不同的3个块段。井孔的布局及以映射见下图。 第44页/共59页评价步骤之二参数的选择根据抽水试验的

18、资料，求出了3个试验场段的水文地质参数和平均值。详见下表。对于疏干时间，由于区内每年7、8、9三个月为雨季，有降水和河水补给，故确定疏干时间为9个月（275天）。 第45页/共59页评价步骤之三计算降深值 用上述数据代入公式进行计算。由于平行边界相距较近，映射次数较多，所以采用表格形式进行计算较方便。例如先计算中心区10号井的降深值，首先从图上查出实井和虚井与该井的距离，算出，分别计算出各场段，利用井函数表查得W(ui)，然后再带入公式，计算出S10。计算时取了5次对称映射，分别对中心区的11号、10号、12号和5号井进行了计算，其结果依次为6.84m、7.77m、6.80m、6.80m，仅占

19、含水层平均厚度的40%45.7%。 第46页/共59页评价步骤之四评价总开采量4980m3/d计算，整个旱季才疏干含水层的一半，到雨季是可以得到补偿的，既有补给保证。因此，拟建开采方案是合理的，允许的。 第47页/共59页开采强度法评价步骤 确定水文地质参数 计算开采量 结果评价第48页/共59页开采强度法原理 在井数很多，井位分散，开采面积很大的地区，应用开采强度法较为简便。 首先把井位分布均匀，各井开采量彼此相近的地区，概化为规则的开采区（如矩形或圆形）。 再把井群的总开采量换算成单位面积上的开采强度（即单位面积开采量）。 然后通过建立开采强度与水位关系式，推算符合设计降深的开采量。 最后

20、进行补给保证程度评价。如果计算的开采量能够得到保证，即为可开采量第49页/共59页开采强度法计算公式 开采强度法计算公式 开采中心点开采强度( , , )ets x y tS22*12*21*11*,41SSSSS。，atylatylatxlatxlyyxx22222121*( ),(,)22yxeeLtLtStSSa ta t第50页/共59页开采强度法实例 河北省冀县、枣强、衡水地区，位于河北平原中部，有巨厚的第四纪沉积层，形成良好的储水条件。其中有两个承压含水组，是目前工农业供水的主要开采层。上部含水组在地表下150250米，下部含水组在250350米之间。二含水组均为中细砂组成。 随着

21、工农业的发展，开采量逐年扩大，已经形成以衡水镇为中心的巨大开采漏斗。实践证明，由于距补给区很远，主要消耗弹性储量，所以形成非稳定开采动态：历年水位下降大于水位回升，每年平均下降4.5米，开采量已经失去补给保证。同时，下部含水组的水位下降快而回升缓，水位高于上部含水组，两组的开采漏斗也不重合。所以，两个含水组之间的水力联系并不明显，而有一定的独立性。 为了满足农田水利化2030的规划要求，应对两个含水组中的地下水资源做出评价。为了简单起见，本例仅摘录上部含水组的计算结果，说明计算和评价方法。上部含水组的历年开采资料统计在下表中。 在边界条件没有完全查清以前，现有开采面积虽已超过一千平方公里以上，但同河北平原面积相比还是很小一部分，而且离补给区很远，含水层可视为无限大。所以，仍属局部开采区，采用开采强度法计算比较合适。 第51页/共59页第52页/共59页评价步骤之一确定水文地质参数把表中第一和第二两行中的数据代入 得： 取二式比值消去参数*，再用试算法求出a值。把所求a值代回二式之一。可求得*。于是得上部含水组的参数： a7.5 104 m2d，*0.00258Sttyxse),(22*12*21*11*,41SSSSS第53页/共59页评价步骤之二计算分段开采量 计算19681973年的开采量，验证所求